İçindekiler
Dergi Arşivi

Elektrikli ve Hibrit Elektrikli Araçlar İçin Bataryalar

Şevket Berat DÜŞMEZ / Sanayi ve Teknoloji Uzmanı (Sanayi Genel Müdürlüğü)

 

Otomotiv sektörü, etki alanının genişliği ve diğer sektörlere olan etkisi ve katkısıyla modern ekonominin gelişiminde geniş ve önemli bir yere sahiptir. İnsan hayatını doğrudan etkileyen bir sektör olması sebebiyle de, tüketicilerin talep ve ihtiyaçlarına uygun olarak sürekli bir dönüşüm halindedir. Gerek kentlerdeki trafik ve park yeri sıkıntıları, gerekse de artan maliyetler, tüketiciyi sahip olmak yerine mobil çözümlere yönlendirmektedir.

Tüm dünya sıfır kaza ve sıfır emisyon vizyonu dahilinde kapsamlı bir dönüşüm içerisindedir ve gelişmiş ülkelerin art arda açıkladığı sıfır emisyon planları otomotiv sektörünün geleceğini de doğrudan etkilemektedir. Benzinli ve dizel araç kullanımını yasaklayacağını açıklayan ülkeler arasında İngiltere, Almanya, Norveç ve Fransa başı çekmektedir. Son olarak dünyanın en büyük otomobil pazarı olan Çin de, sıfır emisyon planını açıklamış ve bu vizyonun büyük bir değişimi de beraberinde getireceği öngörülmektedir.        

Şekil 1. Yıllık Küresel Hafif Araç Satışları                    Şekil 2. Küresel Hafif Araç Parkı

Kaynak: Bloomberg New Energy Finance                 Kaynak: Bloomberg New Energy Finance

Yukarıda bahsedilenler ışığında, 2030 yılında toplam hafif araç satışlarının %24’ünün, 2040 yılında ise %54’ünün elektrikli olacağı tahmin edilmektedir. Bu oran 2015 yılında ise %1’dir. Bununla beraber toplam araç parkının da 2030 yılında %7’sinin ve 2040 yılında da %33’ünün elektrikli araçlardan oluşacağı ancak, ülkemizde bu oranların daha düşük seyredeceği tahmin edilmektedir. 2017 yılında Ülkemizde 76 adet elektrikli ve 4.507 adet hibrit otomobil satışı gerçekleştirilmiştir.

Araç Teknolojileri

Araç çeşitleri araçlardaki enerji kaynağı ve motor tahrik yöntemine göre üç grup altında sınıflandırılmaktadır. Bunlar içten yanmalı motorlu araçlar, hibrit elektrikli araçlar ve tam elektrikli araçlardır.

Tam elektrikli araçlar yakıt pilli ve pil paketli olmak üzere iki grup altında, hibrit elektrikli araçlar ise tasarım şekline göre seri hibrit, paralel hibrit, seri-paralel hibrit ve kompleks hibrit olmak üzere dört grup altında sınıflandırılabilir.

Yakıt pilli elektrikli araçlarda yakıt pilleri motor tahriki için gerekli olan elektrik enerjisini elektroliz işlemi ile elde etmektedir. Gerçekleşen elektroliz işleminde yakıt pillerinin kimyasal enerjisi elektrik enerjisine dönüştürülür ve işlem sonucunda sadece su ve ısı açığa çıkmaktadır. Pil paketli elektrikli araçlarda elektrik motorunu sürmek için gerekli olan elektrik enerjisi sadece pil paketlerinden elde edilmektedir.

Seri hibrit elektrikli araçlarda içten yanmalı motordan alınan çıkış jeneratör yardımıyla elektrik enerjisine dönüştürülür. Üretilen elektrik enerjisi elektrik motorunu sürebilmekte ve pil paketlerini şarj edebilmektedir.

Şekil 3. Seri Hibrit Elektrikli Araç Yapısı

Paralel hibrit elektrikli araçlarda araç hareketi içten yanmalı motor ve elektrik motoru tarafından aktarma organları ile beraber sağlanmaktadır.

Şekil 4. Paralel Hibrit Elektrikli Araç Yapısı

Seri ve paralel hibrit elektrikli araçların yapılarına benzeyen seri-paralel ve kompleks hibrit elektrikli araçlar aracın güç performansını artırırken daha ekonomik yakıt tüketimini sağlamaktadır.

Şekil 5. Seri-Paralel Hibrit Elektrikli Araç Yapısı

Şekil 6. Kompleks Hibrit Elektrikli Araç Yapısı

Hibrit elektrikli araçlarda bir diğer sınıflandırma da “Mikro Hibrit”, Light Hibrit”, “Mild Hibrit”, “Full Hibrit” ve “Plug-In Hibrit” şeklindedir. Burada hibritleşme derecesinden de bahsetmek gerekirse hibritleşme derecesi; elektrik motor gücünün elektrik motor gücü ile içten yanmalı motor gücünün toplamına oranıdır.

Mikro Hibrit sadece start-stop sistemini içerir ve hibritleşme derecesi en düşük olan uygulamadır. Light Hibrit’te aynı zamanda jeneratör olarak da kullanılabilen büyük bir marş motoru vardır (oversized starter motor) ve bu marş motoru genellikle integrated starter-generator (ISG) veya bir belted alternator starter (BAS) olarak isimlendirilir. İçten yanmalı motor çalışmadığında yardımcı sistemler sayesinde ISG sürülür ve marş yapılarak içten yanmalı motorun çalıştırılması sağlanır. Ayrıca, düşük motor yüklerinde ISG tarafından batarya şarj edilir. Mild hibrit’te ise yüksek yüklerde elektrik motoru içten yanmalı motora destek olur (motor assist). Taşıtın ana güç kaynağı içten yanmalı motordur. Hibritleşme derecesi düşük olan araçlar için kullanılır. Full Hibrit de hibritleşme derecesi yüksek olan araçlar için kullanılır. Araç Mild Hibrit’e göre sadece elektrik enerjisiyle daha uzun mesafeler gider ve elektrik sürüş özelliğine sahiptir. Son olarak; Plug-In Hibrit sistemi dışarıdan bir şarj cihazı vasıtasıyla çekiş bataryasının şarj edilmesine imkân tanımaktadır.

Batarya Teknolojileri

Elektrikli araçlarda yaygın kullanılan başlıca batarya teknolojileri Kurşun-Asit, Nikel-Demir, Nikel-Kadmiyum, Nikel-Metal Hibrit, Lityum-İyon, Lityum-Polimer, Lityum-Demir, Sodyum-Sülfür, Sodyum-Metal-Klorid bataryalardır. Son zamanlarda bunlara ilave olarak Alüminyum-Hava ve Çinko-Hava bataryaları geliştirilmiştir. Bataryalar yaklaşık 160 yıllık bir geçmişe sahip olmalarına rağmen elektrikli araçlar için uygun bir batarya tipi halen daha tam anlamıyla geliştirilebilmiş değildir.

Bataryaların performans kriterleri; özgül enerji, enerji yoğunluğu, özgül güç, nominal voltaj değeri, amp-saat verimi, enerji verimi, ticari üretilebilirliği, maliyet, çalışma sıcaklığı, kendi kendi deşarj oranı, ömrü (kaç kez şarj edilebildiği) ve şarj süresidir. Bir tasarımcı ayrıca var olan batarya enerjisinin ortam sıcaklığına, şarj ve deşarj hızına, batarya geometrisine, optimum sıcaklığa, şarj metoduna ve soğutma ihtiyacına göre nasıl değiştiğini dikkate alması gerekmektedir.

Elektrikli araç bataryalarına ait bazı özellikler aşağıdaki tabloda yer almaktadır.

Tablo 1. Batarya Özellikleri

Batarya Tipi

Azami Enerji Yoğunluğu (Wh/kg)

Azami Güç Yoğunluğu (W/kg)

Çalışma Sıcaklığı

Çevrim sayısı (%80 Deşarj Durumunda)

Maliyet ($/kW/h)

Kurşun-Asit

35

150

Ortam

1000

60

Nikel-Demir

50

100

Ortam

2000

150-200

Nikel-Çinko

70

150

Ortam

300

150-200

Nikel-Kadmiyum

50

200

Ortam

2000

300

Nikel-Metal Hidrür

70

200

Ortam

2000+

250

Sodyum-Sülfür

110

150

350 0C

1000

150

Sodyum-Nikel Klorür

100

150

300 0C

700+

250

Lityum-Demir Sülfat

150

300

450 0C

1000

200

Lityum-Katı Polimer

200

350

80 0C-120 0C

1000

150

Lityum-İyon

120-150

120-150

Ortam

1000+

150

Alüminyum-Hava

220

30

Ortam

Veri yok

Veri Yok

Çinko-Hava

200

80-140

Ortam

200

100

 

Batarya Yönetim Sistemleri

Basit elektronik cihazlardan elektrikli araçlara kadar geniş bir alanında batarya teknolojileri kullanılmaktadır. Kullanım alanları farklı olmalarına rağmen performansları ve ömürleri güvenli çalışma alanına bağlıdır. Bu çalışma alanı bataryaların aşırı şarj ve deşarj durumlarında meydana gelebilecek tehlikelerin önüne geçerek performanslarını iyileştirmektedir. Bataryaların güvenlik ve performans açısından bu güvenli bölgede çalışmalarını sağlayan ünite ise batarya yönetim sistemidir.

Sonuç ve Değerlendirme

Elektrikli araç maliyetinin yaklaşık %40’ını oluşturan bataryalar, yönetim sistemleri ile beraber yüksek teknolojili ve katma değerli parçaların başında gelmektedir. 2030 yılında Dünya’da batarya pazarının yaklaşık 50-70 milyar $ ve batarya fiyatlarının da aynı yıllarda 67-93 $/kWh olacağı tahmin edilmektedir.

Ülkemiz otomotiv sanayi 2017 yılında yaklaşık 24 milyar Dolar ihracat gerçekleştirmiş ve 6.5 milyar Dolar dış ticaret fazlası vermiştir. %85 pay ile ülkemiz otomotiv sanayinin en büyük ihracat ortağı AB ve EFTA ülkeleridir. Gerek çevreye olan toplumsal duyarlılık, gerek de teknolojik altyapısı nedeniyle AB ve EFTA ülkelerindeki elektrikli araca olan tüketici eğiliminin ülkemizden daha hızlı gelişeceği tahmin edilmektedir. Bu bağlamda; ülkemiz otomotiv sanayisinin ihracat odaklı üretimine devam edebilmesi için elektrikli araçlara yönelik batarya ve yönetim sistemleri büyük bir fırsat sunmaktadır.

Ayrıca; 2019 yılında ilk prototipinin geliştirilerek 2021 yılında piyasaya arz edilmesi hedeflenen “Türkiye’nin Otomobili Projesi” ile batarya ve yönetim sistemleri de dâhil olmak üzere yeni nesil otomotiv teknolojilerinin geliştirilmesi önemli ivme kazanacaktır.

Buna ek olarak; içten yanmalı motorlu araçlarda %45’ten başlayan Özel Tüketim Vergisi oranı, elektrikli araçlarda ise elektrik motor gücüne göre %3, %7 ve %15’tir. Elektrikli araçların Motorlu Taşıtlar Vergisi de içten yanmalı motorlu araçlara göre %75 daha düşüktür. Bu bağlamda; elektrikli araçların tercih edilebilirliğine yönelik gerekli vergisel düzenlemeler de hayata geçirilmiş bulunmaktadır.

Yukarıda yer verilen öngörü ve değerlendirmeler neticesinde, 24 Ocak 2018 tarihli ve 30311 sayılı Resmi Gazete’de yayımlanan 2018/1 sayılı Başbakanlık Genelgesi ile Başbakan Yardımcısı başkanlığında oluşturulan Yerlileştirme Yürütme Kurulu’na sunulan öncelikli yerlileştirilecek 43 ürün grubu arasında elektrikli ve hibrit araçlar için bataryalar ve yönetim sistemleri yer almaktadır. 

Kaynakça

·       Bloomberg New Energy Finance. (Temmuz 2017). Global Electric Vehicle Outlook.

·       KARAMANGİL, M.İ. (2017). Alternative Propulsion Systems Ders Notları. Uludağ Üniversitesi Otomotiv Mühendisliği Bölümü.

·       KPMG. (2018). Sektörel Bakış Otomotiv.

·       Larminie J, Lowry J. (2003) Electric Vehicle Technology.

·       McKinsey. (2018). Türkiye’nin Sanayi ve Teknoloji Hamlesi-Otomotiv.

·       MURATOĞLU Y, ALKAYA A. (Eylül 2016). Elektrikli Araç Teknolojisi ve Pil Yönetim Sistemi İnceleme. Mersin Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü

·       Otomotiv Distribütörleri Derneği. (Ocak 2018). Otomobil ve Hafif Ticari Araç Pazar Değerlendirme

·       TUİK. (2018). Dış Ticaret İstatistikleri.